RU2811079C1 - Method for forming intense beam of gas particles to modify surface of materials, based on gas cluster ion technology - Google Patents
Method for forming intense beam of gas particles to modify surface of materials, based on gas cluster ion technology Download PDFInfo
- Publication number
- RU2811079C1 RU2811079C1 RU2023109905A RU2023109905A RU2811079C1 RU 2811079 C1 RU2811079 C1 RU 2811079C1 RU 2023109905 A RU2023109905 A RU 2023109905A RU 2023109905 A RU2023109905 A RU 2023109905A RU 2811079 C1 RU2811079 C1 RU 2811079C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- gas
- cluster
- target
- particles
- materials
- Prior art date
Links
- 239000002245 particle Substances 0.000 title claims abstract description 24
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 14
- 239000000463 material Substances 0.000 title abstract description 13
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 title description 4
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims abstract description 28
- 238000013467 fragmentation Methods 0.000 claims abstract description 8
- 238000006062 fragmentation reaction Methods 0.000 claims abstract description 8
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 238000007734 materials engineering Methods 0.000 abstract 1
- 238000003913 materials processing Methods 0.000 abstract 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 46
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 17
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 8
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 8
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 6
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 description 6
- 239000000178 monomer Substances 0.000 description 6
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 4
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 4
- 238000000329 molecular dynamics simulation Methods 0.000 description 4
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 4
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 3
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 2
- -1 argon ion Chemical class 0.000 description 2
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 2
- 230000005596 ionic collisions Effects 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 2
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 2
- FSQRTGQUTVRMNV-UHFFFAOYSA-N 4-[(4-amino-9,10-dioxoanthracen-1-yl)amino]benzoic acid Chemical compound C1=2C(=O)C3=CC=CC=C3C(=O)C=2C(N)=CC=C1NC1=CC=C(C(O)=O)C=C1 FSQRTGQUTVRMNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241000257161 Calliphoridae Species 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- UPNVKIZABMRHNR-UHFFFAOYSA-N acetyl neobritannilactone B Natural products CC(=O)OC1CC(C)=CCCC(C)=CC2OC(=O)C(=C)C12 UPNVKIZABMRHNR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 1
- 238000009499 grossing Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000010849 ion bombardment Methods 0.000 description 1
- 239000006148 magnetic separator Substances 0.000 description 1
- MYWUZJCMWCOHBA-VIFPVBQESA-N methamphetamine Chemical compound CN[C@@H](C)CC1=CC=CC=C1 MYWUZJCMWCOHBA-VIFPVBQESA-N 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 1
- BPUBBGLMJRNUCC-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);tantalum(5+) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Ta+5].[Ta+5] BPUBBGLMJRNUCC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009304 pastoral farming Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 1
- 238000004381 surface treatment Methods 0.000 description 1
- PBCFLUZVCVVTBY-UHFFFAOYSA-N tantalum pentoxide Inorganic materials O=[Ta](=O)O[Ta](=O)=O PBCFLUZVCVVTBY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Abstract
Description
Данное изобретение относится к технологиям обработки поверхности материалов направленными потоками (пучками) газовых частиц (атомов, молекул и малых кластеров) с целью улучшения функциональных характеристик материалов или придания им новых физико-химических свойств в области микро- и наноэлектроники, оптики, оптоэлектроники и др.This invention relates to technologies for treating the surface of materials with directed flows (beams) of gas particles (atoms, molecules and small clusters) in order to improve the functional characteristics of materials or give them new physical and chemical properties in the field of micro- and nanoelectronics, optics, optoelectronics, etc.
Сегодня газоструйные ионно-кластерные пучки (в англоязычной литературе gas cluster ion beam, GCIB) используются для модификации физико-химических свойств различных материалов: малоинвазивного сглаживания, прецизионного травления, наноструктурирования, активации поверхности и др. [I. Yamada, J. Matsuo, N. Toyoda, T. Aoki, T. Seki, Progress and applications of cluster ion beam technology // Curr. Opin. Solid State Mater. Sci. 2015. V.19. P. 12-18; А.Е. Иешкин, А.Б. Толстогузов, Н.Г. Коробейщиков, В.О. Пеленович, В.С. Черныш. Газодинамические источники кластерных ионов для решения фундаментальных и прикладных задач // Успехи физических наук. 2022. Том 192, №7. С. 722-753]. Газовыми кластерными ионами называют комплексы, содержащие от нескольких десятков до нескольких тысяч атомов или молекул, объединенных слабыми (Ван-дер-ваальсовыми или аналогичными) силами и обладающих малым (одна или несколько единиц) зарядом. Возможность независимо регулировать размеры газовых кластеров N и величину ускоряющего потенциала U HV позволяет формировать интенсивный направленный поток частиц с малой удельной кинетической энергией, приходящейся на один атом в кластере E/N. Здесь E= U HV×q, где q - заряд кластерного иона. Характерная полная кинетическая энергия кластерных ионов E составляет от единиц до 20-30 кэВ, что соответствует удельной энергии от нескольких единиц до нескольких десятков эВ на один атом в кластере. Как известно, получение традиционного атомарного ионного пучка высокой интенсивности с такой низкой энергией невозможно из-за кулоновского расталкивания ионов. Слабая связь частиц (молекул) в кластере и их малая энергия E/N локализуют воздействие и ограничивают глубину вносимых повреждений при столкновении кластеров с поверхностью мишени по сравнению с традиционным ионным пучком [I. Yamada, J. Matsuo, N. Toyoda, T. Aoki, T. Seki, Progress and applications of cluster ion beam technology // Curr. Opin. Solid State Mater. Sci. 2015. V.19. P. 12-18; А.Е. Иешкин, А.Б. Толстогузов, Н.Г. Коробейщиков, В.О. Пеленович, В.С. Черныш. Газодинамические источники кластерных ионов для решения фундаментальных и прикладных задач // Успехи физических наук. 2022. Том 192, №7. С. 722-753].Today, gas-jet ion-cluster beams (in the English literature gas cluster ion beam, GCIB) are used to modify the physicochemical properties of various materials: minimally invasive smoothing, precision etching, nanostructuring, surface activation, etc. [I. Yamada, J. Matsuo, N. Toyoda, T. Aoki, T. Seki, Progress and applications of cluster ion beam technology // Curr. Opin. Solid State Mater. Sci. 2015. V.19. P. 12-18; A.E. Ieshkin, A.B. Tolstoguzov, N.G. Korobeishchikov, V.O. Pelenovich, V.S. Chernysh. Gas-dynamic sources of cluster ions for solving fundamental and applied problems // Advances in Physical Sciences. 2022. Volume 192, No. 7. pp. 722-753]. Gas cluster ions are complexes containing from several tens to several thousand atoms or molecules united by weak (van der Waals or similar) forces and having a small (one or several units) charge. The ability to independently regulate the size of gas clusters N and the value of the accelerating potential U HV allows the formation of an intense directed flow of particles with low specific kinetic energy per atom in the cluster E/N . Here E = U HV × q , where q is the charge of the cluster ion. The characteristic total kinetic energy of cluster ions E ranges from units to 20-30 keV, which corresponds to a specific energy from several units to several tens of eV per atom in the cluster. As is known, obtaining a traditional high-intensity atomic ion beam with such a low energy is impossible due to the Coulomb repulsion of ions. The weak connection of particles (molecules) in a cluster and their low energy E/N localize the impact and limit the depth of damage caused when clusters collide with the target surface compared to a traditional ion beam [I. Yamada, J. Matsuo, N. Toyoda, T. Aoki, T. Seki, Progress and applications of cluster ion beam technology // Curr. Opin. Solid State Mater. Sci. 2015. V.19. P. 12-18; A.E. Ieshkin, A.B. Tolstoguzov, N.G. Korobeishchikov, V.O. Pelenovich, V.S. Chernysh. Gas-dynamic sources of cluster ions for solving fundamental and applied problems // Advances in Physical Sciences. 2022. Volume 192, No. 7. pp. 722-753].
Известны различные варианты технических решений для получения интенсивных газоструйных ионно-кластерных пучков для обработки материалов (патенты US 5459326A, US 7855374, RU 2688865, RU 2695028, RU 2777784 и др.). Во всех случаях формирование газоструйного ионно-кластерного пучка включает в себя следующие последовательные этапы (см. Фиг. 1): формирование нейтральных кластеров при адиабатическом истечении рабочего газа или газовой смеси через профилированное сопло (1) в вакуумную камеру, формирование кластерного пучка из сверхзвуковой струи с помощью конической диафрагмы (скиммера) (2), ионизацию нейтральных кластеров низкоэнергетичными электронами в ионизаторе (3), ускорение и фокусировка сформированных кластерных ионов в ионно-оптической системе (4), удаление из пучка ионов-мономеров и малых кластерных ионов с помощью магнитного сепаратора (5), транспортировка ионно-кластерного пучка к мишени (6). Основным недостатком данного подхода является тот факт, что при столкновении газового кластера с твердой поверхностью передаваемая мишени энергия кластера выделяется в малой приповерхностной области, размеры которой определяются диаметром кластера и составляют единицы нанометров. Высокое локальное энерговыделение приводит к кратковременному локальному высокотемпературному нагреву поверхности мишени и тем самым к нарушению структуры и изменению стехиометрического состава приповерхностного слоя обрабатываемого материала как результата селективного распыления [N.G. Korobeishchikov, I.V. Nikolaev, V.V. Atuchin, I.P. Prosvirin, A.V. Kapishnikov, A. Tolstogouzov, D.J. Fu. Quantifying the surface modification induced by the argon cluster ion bombardment of KGd(WO4)2:Nd single crystal // Materials Research Bulletin. 2023. V.158. 112082; A.J. Barlow, J.F. Portoles, P.J. Cumpson. Observed damage during Argon gas cluster depth profiles of compound semiconductors // J. Appl. Phys. 2014. V.116. 054908; R. Simpson, R.G. White, J.F. Watts, M.A. Baker, XPS investigation of monoatomic and cluster argon ion sputtering of tantalum pentoxide // Appl. Surf. Sci. 2017. V.405. P.79-87], что не всегда допустимо.Various variants of technical solutions are known for producing intense gas-jet ion-cluster beams for processing materials (patents US 5459326A, US 7855374, RU 2688865, RU 2695028, RU 2777784, etc.). In all cases, the formation of a gas-jet ion-cluster beam includes the following sequential stages (see Fig. 1): the formation of neutral clusters during the adiabatic outflow of the working gas or gas mixture through a profiled nozzle (1) into a vacuum chamber, the formation of a cluster beam from a supersonic jet using a conical diaphragm (skimmer) (2), ionization of neutral clusters with low-energy electrons in an ionizer (3), acceleration and focusing of formed cluster ions in an ion-optical system (4), removal of monomer ions and small cluster ions from the beam using magnetic separator (5), transportation of the ion-cluster beam to the target (6). The main disadvantage of this approach is the fact that when a gas cluster collides with a solid surface, the cluster energy transferred to the target is released in a small near-surface region, the dimensions of which are determined by the cluster diameter and amount to a few nanometers. High local energy release leads to short-term local high-temperature heating of the target surface and thereby to disruption of the structure and change in the stoichiometric composition of the near-surface layer of the processed material as a result of selective sputtering [NG Korobeishchikov, IV Nikolaev, VV Atuchin, IP Prosvirin, AV Kapishnikov, A. Tolstogouzov, DJ Fu. Quantifying the surface modification induced by the argon cluster ion bombardment of KGd(WO 4 ) 2 :Nd single crystal // Materials Research Bulletin. 2023. V.158. 112082; AJ Barlow, JF Portoles, PJ Cumpson. Observed damage during Argon gas cluster depth profiles of compound semiconductors // J. Appl. Phys. 2014. V.116. 054908; R. Simpson, R. G. White, J. F. Watts, M. A. Baker, XPS investigation of monoatomic and cluster argon ion sputtering of tantalum pentoxide // Appl. Surf. Sci. 2017. V.405. P.79-87], which is not always acceptable.
Известны несколько подходов для решения указанной проблемы. Так в патенте US 4935623 предложен способ формирования пучка нейтральных атомов путем рассеяния традиционного ионно-кластерного пучка на твердой поверхности под малыми скользящими углами и удаления атомарных ионов сепарирующими электродами. В результате получают пучок атомарных частиц с энергиями от 1 до 10 эВ в зависимости от энергии исходных кластерных ионов. Однако, такой подход имеет существенные недостатки. Во-первых, из-за диффузного рассеяния пучка на поверхности значительно падает интенсивность рассеянного пучка. Во-вторых, в рассеянный пучок неизбежно попадают распыленные атомы, выбитые с рассеивающей поверхности, что приводит к загрязнению поверхности обрабатываемого материала.Several approaches are known to solve this problem. Thus, patent US 4935623 proposes a method for forming a beam of neutral atoms by scattering a traditional ion-cluster beam on a solid surface at small grazing angles and removing atomic ions with separating electrodes. As a result, a beam of atomic particles with energies from 1 to 10 eV is obtained, depending on the energy of the initial cluster ions. However, this approach has significant drawbacks. Firstly, due to diffuse scattering of the beam on the surface, the intensity of the scattered beam decreases significantly. Secondly, sputtered atoms knocked out from the scattering surface inevitably fall into the scattered beam, which leads to contamination of the surface of the material being processed.
В патентах US 20150213996, RU 2579749, RU 2648961 предложено использовать фрагментацию ускоренных кластерных ионов на фоновых газовых атомах вдоль всей траектории пучка, начиная со стадии ионизации, ускорения, включаю транспортировку до мишени (см. Фиг. 2). Для удаления из пучка заряженных частиц (ионов-мономеров и малых кластерных ионов) используют дополнительные отклоняющие электроды (7). Сформированный таким образом пучок ускоренных нейтральных атомов (accelerated neutral atom beam, ANAB) (8) обладает энергией примерно равной удельной кинетической энергии E/N в исходном ионно-кластерном пучке, однако имеет пониженную интенсивность за счет большой пролетной базы, необходимой для отклонения заряженных частиц.Patents US 20150213996, RU 2579749, RU 2648961 propose to use fragmentation of accelerated cluster ions on background gas atoms along the entire beam trajectory, starting from the stage of ionization, acceleration, including transportation to the target (see Fig. 2). To remove charged particles (monomer ions and small cluster ions) from the beam, additional deflecting electrodes (7) are used. A beam of accelerated neutral atoms (ANAB) formed in this way (8) has an energy approximately equal to the specific kinetic energy E/N in the original ion-cluster beam, but has a reduced intensity due to the large flight path required to deflect charged particles .
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ формирования интенсивного пучка газовых частиц, описанный в патенте US 7060989 B2, в котором традиционный ионно-кластерный пучок пропускают через промежуточную камеру (дополнительный объем или газовую ячейку) с фоновым давлением газа более высоким, чем в области генерации пучка и области мишени. Повышенное фоновое давление создается дополнительной подачей газа в промежуточный объем. В результате многочисленных столкновений кластерных ионов с фоновыми частицами происходит частичное или полное разрушение (фрагментация) исходных кластерных ионов. Сформированный таким образом поток малых кластеров и нейтральных атомов выходит из промежуточной области в высоковакуумную камеру образцов и продолжает по инерции двигаться по направлению к поверхности мишени.The closest in technical essence to the proposed invention is the method of forming an intense beam of gas particles, described in US patent 7060989 B2, in which a traditional ion-cluster beam is passed through an intermediate chamber (additional volume or gas cell) with a background gas pressure higher than in beam generation area and target area. Increased background pressure is created by additional gas supply into the intermediate volume. As a result of numerous collisions of cluster ions with background particles, partial or complete destruction (fragmentation) of the original cluster ions occurs. The flow of small clusters and neutral atoms formed in this way leaves the intermediate region into the high-vacuum chamber of the samples and continues to move by inertia towards the target surface.
Основным недостатком перечисленных выше способов фрагментации ускоренных кластерных ионов является значительное понижение интенсивности конечного пучка частиц, достигающего поверхности обрабатываемого материала, за счет его уширения при прохождении большой пролетной базы. В частности, в статье [V.V. Sirotkin. Molecular dynamics simulation of argon cluster ion collisions with argon atoms // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 2020. V.476. P.14-25] с помощью молекулярно-динамического (МД) моделирования столкновений кластерных ионов аргона с отдельными атомами аргона показано, что уже после однократного столкновения заметное число выбитых и испарившихся из кластера атомов значительно (до 5 угловых градусов) отклоняются от первоначального направления движения кластерных ионов. В статьях [A. Kirkpatrick, S. Kirkpatrick, M. Walsh, S. Chau, M. Mack, S. Harrison, R. Svrluga, J. Khoury. Investigation of accelerated neutral atom beams created from gas cluster ion beams // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. B. 2013. V.307. P. 281-289; M. de Vido, M.J. Walsh, S. Kirkpatrick, et al. Impact of gas cluster ion and accelerated neutral atom beam surface treatments on the laser-induced damage threshold of ceramic Yb:YAG // Opt. Mat. Express. 2017. V.7. P. 3303-3311] указано, что характерное давление фона, при котором происходит фрагментация, составляет 5×10-5 торр при пролетной базе в несколько десятков сантиметров. Оценки показывают, что при таких условиях происходят многократные столкновения кластерных ионов с атомами фона. С учетом того, что при каждом столкновении выбитые молекулы отклоняются от исходного направления на дополнительный угол, это приводит к значительному уширению нейтрального пучка и падению его интенсивности (плотности потока частиц). Т.к. эффективность обработки материала пучком определяется суммарной дозой бомбардирующих поверхность атомов, то понижение интенсивности пучка очевидно требует пропорционального увеличения времени обработки, что приводит к падению производительности.The main disadvantage of the above methods of fragmentation of accelerated cluster ions is a significant decrease in the intensity of the final particle beam reaching the surface of the material being processed due to its broadening when passing a large flight path. In particular, in the article [VV Sirotkin. Molecular dynamics simulation of argon cluster ion collisions with argon atoms // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 2020. V.476. P.14-25], using molecular dynamics (MD) modeling of collisions of cluster argon ions with individual argon atoms, it is shown that after a single collision, a noticeable number of atoms knocked out and evaporated from the cluster significantly (up to 5 angular degrees) deviate from the initial direction of movement cluster ions. In the articles [A. Kirkpatrick, S. Kirkpatrick, M. Walsh, S. Chau, M. Mack, S. Harrison, R. Svrluga, J. Khoury. Investigation of accelerated neutral atom beams created from gas cluster ion beams // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. B. 2013. V.307. P. 281-289; M. de Vido, M. J. Walsh, S. Kirkpatrick, et al. Impact of gas cluster ion and accelerated neutral atom beam surface treatments on the laser-induced damage threshold of ceramic Yb:YAG // Opt. Mat. Express. 2017. V.7. P. 3303-3311] indicate that the characteristic background pressure at which fragmentation occurs is 5×10 -5 torr with a span of several tens of centimeters. Estimates show that under such conditions, multiple collisions of cluster ions with background atoms occur. Taking into account the fact that during each collision the knocked-out molecules deviate from the original direction by an additional angle, this leads to a significant broadening of the neutral beam and a drop in its intensity (particle flux density). Because Since the efficiency of processing a material with a beam is determined by the total dose of atoms bombarding the surface, a decrease in the beam intensity obviously requires a proportional increase in processing time, which leads to a drop in productivity.
Задача заявляемого технического решения состоит в получении пучка газовых частиц (мономеров и малых кластеров) путем рассеяния исходного ионно-кластерного пучка в малом объеме непосредственно перед мишенью на фоновом газе, функцию которого выполняют частицы рабочего газа. Данный способ получения пучка газовых частиц приводит к минимальным потерям интенсивности исходного пучка, что позволяет повысить эффективность и производительность процесса модификации поверхности материалов.The objective of the proposed technical solution is to obtain a beam of gas particles (monomers and small clusters) by scattering the initial ion-cluster beam in a small volume directly in front of the target on a background gas, the function of which is performed by particles of the working gas. This method of producing a beam of gas particles leads to minimal losses in the intensity of the initial beam, which makes it possible to increase the efficiency and productivity of the process of modifying the surface of materials.
Технический результат достигается за счет того, что пучок газовых частиц (молекул и малых кластеров) образуется путем фрагментации исходного пучка ускоренных кластерных ионов на фоновом газе повышенной плотности в объеме (газовой ячейке) непосредственно перед мишенью. Принципиальная схема предлагаемого решения приведена на Фиг. 3.The technical result is achieved due to the fact that a beam of gas particles (molecules and small clusters) is formed by fragmentation of the initial beam of accelerated cluster ions on a background gas of increased density in the volume (gas cell) immediately in front of the target. A schematic diagram of the proposed solution is shown in Fig. 3.
Известно, что при наличии вакуумной откачки фоновое давление в вакуумном объеме (камере) P ф определяется величиной натекающего в камеру газового потока и производительностью откачной системы. В случае ионно-кластерного пучка именно пучок создает газовый поток в вакуумную камеру. Если объем, куда поступает пучок, не откачивается, то фоновое давление P ф определяется равновесием натекающего газового потока J вх и вытекающего J вых . Для ионно-кластерного пучка входной поток состоит из кластерных ионов различных размеров. При многократных столкновениях с мишенью и стенками внутри объема слабосвязанные газовые кластеры неизбежно фрагментируют до мономеров, которые термализуются (приобретают кинетическую энергию, соответствующую температуре стенок камеры) и формируют фоновое давление P ф. При свободномолекулярном истечении газа из объема поток молекул J (в молек/с) определяется как:It is known that in the presence of vacuum pumping, the background pressure in the vacuum volume (chamber) P f is determined by the amount of gas flow flowing into the chamber and the productivity of the pumping system. In the case of an ion-cluster beam, it is the beam that creates a gas flow into the vacuum chamber. If the volume into which the beam enters is not pumped out, then the background pressure P f is determined by the equilibrium of the incoming gas flow J in and the outgoing gas flow J out . For an ion-cluster beam, the input stream consists of cluster ions of various sizes. During repeated collisions with the target and walls inside the volume, weakly bound gas clusters inevitably fragment into monomers, which are thermalized (acquire kinetic energy corresponding to the temperature of the chamber walls) and form a background pressure Pf . In the case of free molecular outflow of gas from a volume, the flow of molecules J (in mol/s) is determined as:
, ,
где n ф - равновесная плотность фонового газа, молек/см3, ν - скорость движения газовых частиц, см/с, А - площадь входного отверстия, см2. При условии, что втекающий и истекающий потоки проходят через одно и то же отверстие, равновесное фоновое давление P ф, создаваемое внутри объема при торможении пучка частиц с интенсивностью I пуч (молек/см2×с) определяется следующим образом [N.G. Korobeishchikov, M.A. Roenko, G.I. Tarantsev. Mean Gas Cluster Size Determination from Cluster Beam Cross-Section // J. of Cluster Science. 2017. Vol.28, Is.5. P.2529-2547]:where n f is the equilibrium density of the background gas, molecules/cm 3 , ν is the speed of movement of gas particles, cm/s, A is the area of the inlet, cm 2 . Provided that the inflowing and outflowing flows pass through the same hole, the equilibrium background pressure P f created inside the volume during deceleration of a beam of particles with intensity I beam (molecule/cm 2 × s) is determined as follows [NG Korobeishchikov, MA Roenko GI Tarantsev. Mean Gas Cluster Size Determination from Cluster Beam Cross-Section // J. of Cluster Science. 2017. Vol.28, Is.5. P.2529-2547]:
, ,
где m - атомарная масса рабочего газа, k - постоянная Больцмана, T - температура стенок объема (обычно T≈300 K).where m is the atomic mass of the working gas, k is Boltzmann’s constant, T is the temperature of the walls of the volume (usually T≈ 300 K).
Пример ниже подтверждает возможность осуществления предлагаемого способа, но не ограничивает возможности его применения.The example below confirms the possibility of implementing the proposed method, but does not limit the possibilities of its application.
В эксперименте использовалась газовая ячейка (9) (см. Фиг. 3), изготовленная из нержавеющей стали, размеры которой составляли 150×100×100 мм. Обрабатываемый образец материала располагался внутри ячейки. Входное отверстие имело диаметр 30 мм, что эквивалентно диаметру ионно-кластерного пучка. Давление внутри газовой ячейки и в вакуумных камерах контролировалось с помощью однотипных вакуумметров. При включенном расходе рабочего газа, при среднем размере кластерных ионов N≈1000 молекул/кластерный ион и ускоряющем потенциале U HV=22 кэВ фоновое давление в камере ионизатора составляло 1,8×10-6 торр, в камере образцов - 3,5×10-6 торр, в газовой ячейке - 5,0×10-5 торр. Таким образом, давление внутри ячейки перед мишенью, создаваемое рассеянными молекулами из кластеров, почти в 10 раз превышает давление в основной камере.The experiment used a gas cell (9) (see Fig. 3), made of stainless steel, the dimensions of which were 150×100×100 mm. The material sample being processed was located inside the cell. The entrance hole had a diameter of 30 mm, which is equivalent to the diameter of the ion-cluster beam. The pressure inside the gas cell and in the vacuum chambers was controlled using the same type of vacuum gauges. With the working gas flow turned on, with an average size of cluster ions N≈ 1000 molecules/cluster ion and an accelerating potential U HV =22 keV, the background pressure in the ionizer chamber was 1.8×10 -6 Torr, in the sample chamber - 3.5×10 -6 torr, in a gas cell - 5.0×10 -5 torr. Thus, the pressure inside the cell in front of the target, created by scattered molecules from clusters, is almost 10 times higher than the pressure in the main chamber.
Число столкновений кластеров размером N с фоновыми молекулами при прохождении пролетной базы L определяется как: , где длина свободного пробега кластеров λN определяется как . Газокинетическое сечение рассеяния газового кластера размером N можно оценить как σN=σ×N 2/3, где σ - газокинетическое сечение газовой молекулы. Тогда общее число столкновений можно определить следующим образом:The number of collisions of clusters of size N with background molecules when passing through the flight base L is defined as: , where the free path of clusters λ N is defined as . The gas kinetic scattering cross section of a gas cluster of size N can be estimated as σ N =σ× N 2/3 , where σ is the gas kinetic cross section of the gas molecule. Then the total number of collisions can be determined as follows:
. .
При пролете кластера в области повышенного давления фона происходит несколько последовательных столкновений кластерных ионов с фоновыми молекулами. При каждом столкновении уменьшается остаточный размер кластеров, причем согласно [V.V. Sirotkin. Molecular dynamics simulation of argon cluster ion collisions with argon atoms // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 2020. V.476. P.14-25] количество выбитых атомов резко растет с уменьшением его размера. Так, если при однократном столкновении из кластера Ar1000 выбивается около 30% атомов, то уже из кластера Ar400 - около 70%. Для аргона σ=3,7×10-15 см2 [B.M. Smirnov. Reference Data on Atomic Physics and Atomic Processes. - New York: Springer, 2008], тогда при фоновом давлении P ф=5,0×10-5 торр, для кластера N≈1000 длина свободного пробега λN составляет около 1 см. Оценки показывают, что при длине пролета 10 см это приводит к практически полному разрушению газовых кластерных ионов до мономеров и малых кластеров. Таким образом, учитывая, что газокинетические сечения разных газов по порядку величины близки аргону [B.M. Smirnov. Reference Data on Atomic Physics and Atomic Processes. - New York: Springer, 2008], величина P ф×L≈5×10-4 торр×см является достаточной для полного разрушения исходного ионно-кластерного пучка разных газов до малых кластеров и мономеров.When a cluster flies through a region of high background pressure, several successive collisions of cluster ions with background molecules occur. With each collision, the residual size of the clusters decreases, and according to [VV Sirotkin. Molecular dynamics simulation of argon cluster ion collisions with argon atoms // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 2020. V.476. P.14-25] the number of knocked out atoms increases sharply with decreasing its size. Thus, if in a single collision about 30% of atoms are knocked out of the Ar 1000 cluster, then about 70% are knocked out of the Ar 400 cluster. For argon σ=3.7×10 -15 cm 2 [BM Smirnov. Reference Data on Atomic Physics and Atomic Processes. - New York: Springer, 2008], then at background pressure P f =5.0×10 -5 Torr, for a cluster N≈ 1000 the mean free path λ N is about 1 cm. Estimates show that with a flight length of 10 cm this leads to the almost complete destruction of gas cluster ions to monomers and small clusters. Thus, taking into account that the gas kinetic cross sections of different gases are close in order of magnitude to argon [BM Smirnov. Reference Data on Atomic Physics and Atomic Processes. - New York: Springer, 2008], the value of P f × L≈ 5×10 -4 torr×cm is sufficient for the complete destruction of the initial ion-cluster beam of various gases to small clusters and monomers.
Интенсивность расходящегося в результате рассеивания пучка на оси обратно пропорциональна длине базы рассеивания. Благодаря тому, что пролетная база, на котором происходит рассеивание пучка, в предлагаемом техническом решении в несколько раз меньше, чем в указанных выше изобретениях при примерно одинаковом угле уширения рассеянных частиц, интенсивность пучка, достигающего поверхность мишени, соответственно в несколько раз выше.The intensity of the beam diverging on the axis as a result of scattering is inversely proportional to the length of the scattering base. Due to the fact that the flight path at which the beam is scattered is several times smaller in the proposed technical solution than in the above inventions with approximately the same broadening angle of the scattered particles, the intensity of the beam reaching the target surface is correspondingly several times higher.
При обработке поверхности диэлектриков для предотвращения накопления заряда на обрабатываемой поверхности предлагается дополнительно использовать низкоэнергетичный источник электронов (электронную пушку, 10) с энергией менее 100 эВ. Эмитируемые электроны захватываются объемным положительным зарядом ионно-кластерного пучка и, тем самым, компенсируют его.When treating the surface of dielectrics, to prevent charge accumulation on the treated surface, it is proposed to additionally use a low-energy source of electrons (electron gun, 10) with an energy of less than 100 eV. The emitted electrons are captured by the positive volumetric charge of the ion-cluster beam and, thereby, compensate for it.
Таким образом, предложенное техническое решение позволяет получить интенсивный поток молекул и малых кластеров с кинетической энергией на уровне единиц или десятков электрон-вольт, сформированный путем рассеяния ионно-кластерного пучка на фоновых частицах рабочего газа, образовавшихся в газовой ячейке торможением кластерного пучка.Thus, the proposed technical solution makes it possible to obtain an intense flow of molecules and small clusters with kinetic energy at the level of units or tens of electron volts, formed by scattering an ion-cluster beam on background particles of the working gas formed in the gas cell by braking the cluster beam.
Claims (1)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2811079C1 true RU2811079C1 (en) | 2024-01-11 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7060989B2 (en) * | 2004-03-19 | 2006-06-13 | Epion Corporation | Method and apparatus for improved processing with a gas-cluster ion beam |
| RU2579749C2 (en) * | 2010-08-23 | 2016-04-10 | Эксодженезис Корпорейшн | Method and apparatus for neutral beam processing based on gas cluster ion beam technology |
| RU2648961C2 (en) * | 2012-02-22 | 2018-03-28 | Эксодженезис Корпорейшн | Method for processing the beam of neutral particles based on the technology for processing the beam of gas cluster ions and obtained by such as a product |
| RU2653581C2 (en) * | 2013-02-04 | 2018-05-15 | Эксодженезис Корпорейшн | Method and device for directing neutral particles beam |
| US11446714B2 (en) * | 2015-03-30 | 2022-09-20 | Tokyo Electron Limited | Processing apparatus and processing method, and gas cluster generating apparatus and gas cluster generating method |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7060989B2 (en) * | 2004-03-19 | 2006-06-13 | Epion Corporation | Method and apparatus for improved processing with a gas-cluster ion beam |
| RU2579749C2 (en) * | 2010-08-23 | 2016-04-10 | Эксодженезис Корпорейшн | Method and apparatus for neutral beam processing based on gas cluster ion beam technology |
| RU2648961C2 (en) * | 2012-02-22 | 2018-03-28 | Эксодженезис Корпорейшн | Method for processing the beam of neutral particles based on the technology for processing the beam of gas cluster ions and obtained by such as a product |
| RU2653581C2 (en) * | 2013-02-04 | 2018-05-15 | Эксодженезис Корпорейшн | Method and device for directing neutral particles beam |
| US11446714B2 (en) * | 2015-03-30 | 2022-09-20 | Tokyo Electron Limited | Processing apparatus and processing method, and gas cluster generating apparatus and gas cluster generating method |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Toyoda et al. | Reactive sputtering by SF6 cluster ion beams | |
| US20050205802A1 (en) | Method and apparatus for improved processing with a gas-cluster ion beam | |
| JPS6353259A (en) | Method for forming thin film | |
| Martini et al. | Splashing of large helium nanodroplets upon surface collisions | |
| JP2011029043A (en) | Mass spectroscope and mass spectrometry | |
| RU2811079C1 (en) | Method for forming intense beam of gas particles to modify surface of materials, based on gas cluster ion technology | |
| US20220115236A1 (en) | Method and apparatus to eliminate contaminant particles from an accelerated neutral atom beam and thereby protect a beam target | |
| Moritani et al. | Secondary ion emission from insulin film bombarded with methane and noble gas cluster ion beams | |
| JP2014116294A (en) | Ion mass selector, ion irradiator, surface analysis device and ion mass selection method | |
| Tsukuda et al. | Collision processes of size-selected cluster anions,(C6F6) n-(n= 1-5), with a silicon surface | |
| Matsuo et al. | Gas cluster ion beam equipments for industrial applications | |
| Ninomiya et al. | The effect of incident cluster ion energy and size on secondary ion yields emitted from Si | |
| EP2840163B1 (en) | Deposition device and deposition method | |
| Matsuo et al. | Sputtering with gas cluster-ion beams | |
| WO2010029929A1 (en) | Ion irradiation device | |
| Varentsov | Focused ion beam source of a new type for micro-and nanoelectronics technologies | |
| Xenoulis et al. | Ionization of clusters produced in a hollow-cathode source | |
| Gordon et al. | Low-energy ion beamline scattering apparatus for surface science investigations | |
| CN114318280B (en) | Method for measuring and controlling nanocluster growth | |
| Afaneh et al. | Dynamics of electron-capture-to-continuum (ECC) formation in slow ion–atom collisions | |
| Toyoda et al. | Size effects of gas cluster ions on beam transport, amorphous layer formation and sputtering | |
| Seki et al. | Surface processing with high-energy gas cluster ion beams | |
| Hashinokuchi et al. | Secondary ion mass spectrometry using size-selected gas cluster ion beam | |
| JP2007317491A (en) | Method and apparatus for ionizing cluster | |
| Seki et al. | High Current Cluster Ion Beam Source |